钠离子电池中钠离子较大的半径和缓慢的扩散速率制约其快速充电和低温下的使用。而近日，一项由哈尔滨工业打宋波教授及其团队发表于《Advanced Functional Materials》的研究提出了新的解决方案：通过相工程策略，将二维材料ReSe2从常见的1T'相转变为金属性1T相，实现了钠离子电池在-40°C至室温范围内的超快充电与稳定循环。

一、钠离子电池的快充困局

钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉，被寄予厚望成为锂离子电池的替代者。然而，钠离子在电极材料中迁移缓慢、界面阻抗大，导致其快充性能远未达到实际应用需求。尤其是在低温环境下，电解液黏度增加、离子扩散进一步受阻，使得电池容量急剧衰减。解决这一问题的关键在于设计具有高导电性和低离子扩散势垒的电极材料。

二维过渡金属硫族化合物，如ReSe2因其层状结构和可调控的电子性质备受关注。ReSe2天然存在热力学稳定的1T'相，具有类金属导电性和大层间距，有利于离子传输。但1T'相在充放电过程中转化动力学缓慢、容量衰减快，难以满足快充要求。

有研究表明，通过相工程调控材料的晶体结构，可显著改变其电化学性能。例如，金属性的1T相比半导体性的1T'相具有更高的导电性和更优的离子扩散路径。但，1T相ReSe2的合成极具挑战性，其形成能高，通常以亚稳态存在。

二、硒空位驱动的相变工程

研究团队提出通过引入硒空位诱导ReSe2从1T'相向1T相转变。理论计算：密度泛函理论模拟表明，当Se空位浓度超过1%时，1T相比1T'相更稳定，且具有更低的Na⁺吸附能（-3.04 eV vs. -1.30 eV）和扩散势垒（0.134 eV vs. 0.184 eV）。

实验中，团队采用液相氨辅助锂化法，通过调控ReSe2与锂的摩尔比（最优比例为1:5），成功制备出1T相含量高达84%的ReSe2纳米片。结构表征证实，1T相ReSe2具有更高的晶体对称性和更长的Re-Se键，这为缓解钠化过程中的体积膨胀奠定了基础。

三、快充与低温性能的突破

1. 室温8000次循环容量保持率超90%

在室温环境下，1T ReSe2电极展现出卓越的快充能力。在20 A/g的超高电流密度下循环8000次后，仍保持197 mAh/g的可逆容量，相当于每次循环容量衰减率仅0.00125%。其倍率性能：电流密度从0.2 A/g提升至50 A/g时，容量仅从363.6 mAh/g下降至253.6 mAh/g，远优于传统碳基负极材料。

2. 低温极限：-40°C仍可稳定运行

在-40°C的极端低温下，1T ReSe2电极在1 A/g电流密度下循环465次后，容量保持率达60%，且回温至室温后容量可恢复至259.1 mAh/g。对比实验显示，1T'相ReSe2在相同条件下容量仅剩26.6 mAh/g，凸显1T相的结构优势。

3. 全电池验证

团队组装了Na₃V₂(PO₄)₃||1T ReSe₂全电池。在1 A/g电流密度下循环100次后，容量保持率达87%，并能成功点亮商用LED灯。

四、1T相如何实现性能提升？

1. 动力学优势

电化学动力学分析表明，1T ReSe2电极的赝电容贡献占比高达80%以上（b值接近1），远高于1T'相（约60%）。这意味着钠离子存储更多依赖于表面快速反应，而非缓慢的体相扩散，从而显著提升倍率性能。

2. 结构演化

原位XRD和拉曼光谱揭示了1T ReSe2的独特储钠机制：其通过“插层-转化”反应（ReSe₂ → NaₓReSe₂ → Na₂Se + Re）实现可逆循环，且过程中不经历显著相变。相比之下，1T'相在钠化时发生明显的晶格畸变，导致结构损伤。

3. 理论支撑

DFT计算进一步证实，1T相ReSe2的Na⁺扩散势垒（0.134 eV）显著低于1T'相（0.184 eV），且其晶格膨胀率（12.8%）更低，有效抑制了体积变化。金属性电子结构还确保了电荷的高效传输。

文献信息：

DOI: 10.1002/adfm.202528353

文章来源：智锂魔方

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